專利名稱：可變光衰減器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于衰減光的光學裝置，尤其是涉及具有測量光的光功率的附加功能的
緊湊型可變光衰減器。
背景技術：
在光通信網(wǎng)絡中，采用二進制數(shù)據(jù)流對光信號進行調(diào)制并將其從一個位置經(jīng)光纖段 傳輸?shù)搅硪粋€位置。在從源到目的地的路徑上，光信號可以被放大，復用、路由，以及 可在不同的光纖段之間通過。除了放大操作(其將功率增強回可接受水平的)之外，所 有這些操作均減小了信號的光功率?？傊?，為了將信號適當放大并最終在目的該信號可 被探測到，必須將信號的光功率保持在一定的范圍內(nèi)。為了測量在光纖中傳播的信號的光功率，光學分接頭(tap)經(jīng)光纖將信號的一小 部分分出并將此部分與光電探測器耦合，該光電探測器產(chǎn)生的電流代表光纖所載的信號 的總光功率。為了使光學分接頭可以可靠地工作，將與光電探測器耦合的光功率的部分 保持為常數(shù)是很重要的。不容易滿足此要求，因為光學分接頭通常使用總功率的一小部 分(例如，5%)來測量代表總的光功率。對于以例如1%的精確性測量總的光功率的光 學分接頭，在裝置的壽命期間，在溫度和濕度值的寬范圍內(nèi)分束信號的光功率的部分必 須在傳播光信號的總功率的5°/" 1% = 0.05%內(nèi)保持穩(wěn)定。此外，在單一光網(wǎng)絡系統(tǒng)中 使用很多光學分接頭是很普遍的；所以分接頭緊湊并且不昂貴也是很重要的。
當光學分接頭所測量的光功率被發(fā)現(xiàn)處于系統(tǒng)需要所強加的范圍之外時，需要對功 率進行調(diào)節(jié)。 一般來說有兩種調(diào)節(jié)光信號的光功率的方法。第一種方法是改變光學放大 器的放大設置，例如，通過調(diào)節(jié)泵浦激光二極管的驅動電流；第二種方法是通過調(diào)節(jié)4皮 稱為可變光衰減器或VOA的部件的設置來調(diào)節(jié)光信號的衰減。在實踐中，第二種方法 要經(jīng)濟的多，因為VOA是僅包含幾個元件的無源部件，而一般光學放大器為相當復雜 的模塊，其包含很多無源和有源的部件，諸如有源和無源的特種光纖、泵浦激光二極管、 復用器、隔離器以及其他部件。不僅如此，而且很頻繁的，VOA是這些部件中的一種， 調(diào)節(jié)這種光學放大器的操作點包括調(diào)節(jié)泵浦電流和VOA設置。因為調(diào)節(jié)光通信網(wǎng)絡中的信號的光功率通常涉及測量調(diào)節(jié)點之前和之后的光功率， 將這兩種功能組合到一個裝置中是有利的。將光學分接頭和VOA結合的最直接的方法 是將VOA的輸出光纖和光學分接頭的輸入光纖熔接，或反之亦然。參考圖1A,示出的現(xiàn)有技術VOA-光學分接裝置100包括波導衰減器103、集成入封裝104的光學分接頭 (未示出)、連接光纖106、輸入光纖108和輸出光纖110。波導衰減器103具有平面波 導112,該平面波導112根據(jù)注入波導112的載光區(qū)域(light-carrying region)的自由栽 流子的濃度吸收經(jīng)過其的光。未示出的光電探測器具有用于輸出代表分出的光功率的電 信號的接觸114。
為了執(zhí)行光纖熔接，在兩個熔接端需要至少幾個厘米的光纖長度；熔接以后，該光纖將 在封裝內(nèi)必須被盤繞。應注意，光纖的盤繞與例如電線的盤繞不同，因為光纖的彎曲半 徑應保持大于某一特定的最小彎曲半徑，因為巻繞太緊的光纖會失去其導光的性質(zhì)和， 或只會使其折斷。對于目前應用于光纖通信系統(tǒng)的大多數(shù)光纖來說，最小彎曲半徑必須 滿足達到幾個厘米。因此，現(xiàn)在參考圖IB,示出了裝置100的另一個圖，其中，示出了封裝104內(nèi)的 部件，包括光學分接頭105、兩個光纖環(huán)106-1和106-2,以及光纖熔接保護器107。如 上面所述，為了使用熔接連接兩個光纖耦合的光學裝置，應在熔接的兩端提供一定長度 的光纖。當熔接波導衰減器103和光學分接頭105時，熔接保護器107兩端的光纖被盤 繞成光纖環(huán)106-1和106-2。不得不適應光纖環(huán)106-1和106-2的結果是，封裝104的尺 寸往往是被封裝或集成入封裝104的光學分接頭105的尺寸的好幾倍。
解決上述問題的一個方案如美國專利7,346,240中由He等建議的，在此通過參考 將其合并入本申請中。He等描述了一種混合VOA-光學分接頭裝置，其中，小機械光閘 (shutter)是磁電致動的以衰減光?，F(xiàn)在轉到圖2,示出了 He等的現(xiàn)有技術VOA-光分接頭混合裝置的VOA部分420 的截面圖，其包括輸入光纖101和輸出光纖102、雙光纖尾纖或插針421、電線422、光 閘423、具有角度端面426和相對的涂覆有高反射(HR)涂層427的直面(straightfacet) 的漸變折射率(GRIN)透鏡424、磁性透鏡夾具425和磁鐵430。 GRIN透鏡424具有 雙重功能。第一，透鏡424將由輸入光纖101發(fā)射的輸入光束準直；第二，透鏡424將 從HR涂層427反射的光束的輸出光束聚焦到輸出光纖102上。在GRIN透鏡上的HR 涂層427的功能是將輸入光的一小部分分離以將其耦合到未示出的光電探測器。在操作 中，電流通過電線422,該電線422可使光閘422轉動從而部分屏蔽輸入和輸出光束。 光閘423屏蔽的光束越多，VOA 420衰減的光就越多。將可移動的光閘423置于接近雙光纖尾纖或插針421中的光纖101和102的尖端有 很多嚴重的缺陷。特別是， 一個缺陷是將物體放置接近光纖尖端產(chǎn)生背向反射(backreflection)回該光纖的可能性。即使當光閘423的端部被涂黑，仍有明顯的大部 分由光閘423散射的光可以輸入光纖101。如上面提到的，VOA經(jīng)常被用于光學放大器 的內(nèi)部。因為光纖放大器可以提供40dB和更高的放大，甚至大約-40(18的小背向反射 也會在EDFA中產(chǎn)生反饋，這會致使EDFA不可操作或至少引入噪聲。進一步，不利的， 散射光的一小部分可以通過GRIN透鏡424和涂層427并到達未示出的光電探測器，這 將會改變由光電探測器所觀察到的輸入信號的 一小部分。盡管在光電探測器的這部分的 光的光功率是很小的，例如可能是輸入光的光功率的1%-5%,但是即使微量的散射光到 達光電探測器，例如輸入光的光功率的0.5%,也會引起通過VOA420的光的光功率的 測量誤差。例如，對于1%分接，誤差是50%;對于5%分接，誤差是10%。 [11]進一步，不利的，當光閘用于衰減與光纖101和102有關的自由空間傳輸?shù)墓馐鴷r， 在光功率測量中的另一個潛在的誤差源由于存在下面的原因。光閘423被置于光纖101 和102之間，當光閘423的位置變化即使很小時，例如，由于震動、振動或只不過是光 閘423所掛的電線422的疲勞，由于屏蔽光纖101的尖端發(fā)射的輸入光束而引起的衰減 與由于屏蔽入射到光纖102的尖端的反射光束的衰減的比率將發(fā)生變化，這將顯著地改 變未示出的光電探測器所觀察到的光功率的部分。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了圖1A、 1B和圖2所示的方法的缺點。本發(fā)明的目的是提供一種具有 高保真度的光功率測量、高可靠性、低背向反射和緊湊尺寸的VOA-分接頭混合裝置。 優(yōu)選的，該裝置的尺寸應足夠緊湊使得標準小型可插拔(SFP)封裝可以被用作該裝置 的外殼。根據(jù)本發(fā)明提供了可變光衰減器，其包括 輸入光端口和llr出光端口 ；
平面波導衰減器，其用于根據(jù)施加到其上的控制信號來衰減光，其中，所述平面波 導衰減器具有第一端面和第二端面，其中，所述平面波導衰減器的所述第一端面被光學 耦合到所述輸入端口 ，以及所述平面波導衰減器的所述第二端面被配置來產(chǎn)生發(fā)散光 束；
透鏡，其用于將所述發(fā)散光束準直成準直光束；
分束器，其被光學耦合到所述透鏡，用于將所述準直光束分成反射光束和透射光束； 光電探測器，其被配置來接收所述透射光束，用于根據(jù)所述透射光束的功率產(chǎn)生電 信號；以及輸出波導，其用于將所述反射光束導向所述輸出端口；
其中，在操作中，所述透鏡將所述反射光束聚焦到所迷輸出端口。根據(jù)本發(fā)明的另一方面進一步提供了可變光衰減器，其包括 第一光端口和第二光端口 ，其每一個被配置來接收光和輸出光； 平面波導衰減器，其用于根據(jù)施加到其上的控制信號來衰減光，其中，所述平面波
導衰減器具有第一端面和第二端面，其中，所述波導衰減器的所述第一端面被光學耦合
到所述第一光端口；
連接波導，其具有第一端面和第二端面，其中，所述連接波導的所述第一端面被光 學耦合到所述第二光端口；
透鏡，其用于在所述平面波導衰減器的所迷第二端面和所述連接波導的所述第二端 面之間提供光學耦合；
分接頭，其與所述透鏡光學耦合，用于測量通過其的光的光功率，其中，所述分接 頭包括
分束器，其用于分出入射到其上的光的一小部分，以及 光電探測器，其用于接收所述部分并根據(jù)其光功率產(chǎn)生電信號。
現(xiàn)在結合附圖詳細地描述示范性實施例，其中圖1A是現(xiàn)有技術中通過將VOA熔接到光分接頭而獲得的可變光衰減器(VOA)-光分接頭組合圖；圖1B是現(xiàn)有技術中通過將VOA熔接到光分接頭而獲得的可變光衰減器(VOA)-光分接頭組合中的光纖環(huán)的詳細圖；圖2是現(xiàn)有技術VOA-光分接頭混合裝置的核心部分的橫截面圖。圖3A是本發(fā)明的VOA-光分接頭裝置的一個優(yōu)選實施例的平面圖；圖3B是圖3A的VOA-光分接頭裝置的側視圖；圖4A是本發(fā)明的VOA-光分接頭裝置的另一個優(yōu)選實施例的平面圖；圖4B是圖4A的VOA-光分接頭裝置的側視圖；圖5也是本發(fā)明的VOA-光分接頭裝置的另一個優(yōu)選實施例的平面圖；圖6是圖3A和圖3B的VOA-光分接頭裝置被封裝到標準小型可插拔(SFP)封裝
的平面圖；圖7是本發(fā)明的VOA-光分接頭裝置被封裝到SFP封裝的等軸側視圖。
具體實施例方式雖然結合不同的實施例和舉例描述了本發(fā)明所教導的，但并不意味著本發(fā)明所教導 的限于這些實施例。相反，本發(fā)明所教導的包括本領域的技術人員應意識到的各種替代、 改變和等同實施例。在本申請中，相同的標號代表相同的元件?，F(xiàn)在參考圖3A,示出了本發(fā)明的VOA-光分接裝置300的一個優(yōu)選實施例的平面 圖，其包括具有平面波導312的波導光衰減器303、具有分束器涂層317的GRIN透鏡 316,以及具有電接觸314的光電探測器318。波導光衰減器303通過自由載流子吸收機 理衰減光，其中，自由載流子通過施加電流到波導303而被注入到波導312的區(qū)域。輸 入光纖308被對接耦合入平面波導312,輸出光纖310緊靠GRIN透鏡316。在圖3B中， 更詳細的示出了輸出光纖310的布置。輸出光纖310被置于波導衰減器303上，緊靠平 面波導312。在操作中，從輸入光纖308被耦合入平面波導312的導光束沿平面波導312 傳輸，并且該導光束+艮據(jù)施加到波導衰減器303上的電流量衰減。當?shù)竭_波導衰減器303 的右端面時，光束被發(fā)射入自由空間并被透鏡316準直。準直光束從分束器涂層317反 射并通過透鏡316往回傳輸，透鏡316將光束聚焦到輸出光纖310的尖端。透鏡316的 光軸319被置于波導衰減器303的上表面的略上方，如圖3B所示，光束從波導312的 平面導出并以例如0.1-5度的小角度入射到分束器涂層317上。因此，準直光束以某一 與入射角相同的角度反射，并且聚焦光束被耦合入輸出光纖310。圖3A和圖3B的VOA-光分接頭裝置300有4艮多優(yōu)點，這些優(yōu)點屬于不包含任一 基于波導VOA元件303而實施的光分接頭的VOA的優(yōu)點。這些優(yōu)點如下第一，圖 3A和圖3B的裝置沒有任何可動部分，這使其對震動和振動不敏感；第二，裝置300沒 有使用任何磁鐵，因此由于波導衰減部件303的緊湊結構而可將裝置300制作得很緊湊； 第三，裝置300的光背向反射是低的。裝置300的其它優(yōu)點不屬于波導VOA自身的優(yōu)點，而是當裝置300使用光學分接
頭時出乎意料地帶來的優(yōu)點，如圖3A和3B所示。也就是，VOA 303通過自由栽流子
光吸收而工作，這意味著不存在可以到達光電探測器318并致使光功率測量不可靠的散
射光。進一步，有利的，可以將平面波導312和輸出光纖310彼此緊靠放置并緊靠光軸
319,這方便地減小了透鏡316的像差并改進了裝置300的總的插入損耗。不僅如此，而且有利的是輸入光纖308和輸出光纖310被配置在裝置300的同一側，
這使裝置300集成入光網(wǎng)絡系統(tǒng)簡單化了 ，因為不需要光纖巻繞或彎曲?，F(xiàn)在轉到圖4A,示出了本發(fā)明的VOA-光分接頭裝置400的另 一個優(yōu)選實施例的平
面圖，其包括具有平面波導412的波導光衰減器403、透鏡416,以及具有電接觸414的光電探測器418。裝置400和圖3A的裝置300的區(qū)別是存在位于透鏡416后面的 獨立的分束器元件417。優(yōu)選的，分束器元件417或圖3A和圖3B的分束器涂層具有范 圍是90%-99%的反射系數(shù)，最優(yōu)值接近95%。當透鏡416沒有平坦的表面時，例如當 透鏡416是通過成型工藝或其它適合的工藝生產(chǎn)的球面透鏡時，獨立的分束器元件417 是方便的。球面透鏡能夠進一步減小像差并進一步減小光學插入損耗。 [32]在圖4B中更詳細的示出了輸出光纖410的布置。類似于圖3B的輸出光纖310的 布置。此外，將波導412和光纖410的尖端彼此靠近放置可進一步減小像差并改進光學 插入損耗，因為輸入光束和輸出光束位于靠近透鏡416的光軸419的位置。 [33]現(xiàn)在轉到圖5,示出了本發(fā)明的VOA-光分接頭裝置500的另 一個優(yōu)選實施例的平 面圖，其包括具有兩個平面波導512-1和512-2的波導光衰減器503、具有分束器涂層 517的GRIN透鏡516,以及具有電接觸514的光電探測器518。波導光衰減器503通過 自由載流子吸收或任何其他適合的機理衰減由平面波導512-1引導的光。輸入光纖508 被對接耦合到平面波導512-1，并且輸出光纖510被對接耦合到平面波導512-2。除了類 似于圖3A和圖4A的裝置300和400的優(yōu)點，圖5的裝置500的優(yōu)點是平面波導512-1 和512-2被單片集成到波導衰減器503,這使裝置500的光學機械組裝簡單化了 。 [34]在圖3A,圖3B ，圖4A,圖4B和圖5中的VOA-光分接頭裝置，輸入和輸出光纖 可以交換，或換言之，光纖310, 410和510可以被用作輸入光纖，而光纖308， 408和 508可以被用作輸出光纖。當光纖被交換時，光分接頭將測量衰減之前而不是衰減之后 的光功率。這對于那些不僅將所測量的光功率值用來設置衰減值而且將其用來例如調(diào)節(jié) 光纖放大器中的泵浦功率的應用來說，可能是有利的?，F(xiàn)在轉到圖6，示出了本發(fā)明的VOA-光分接頭裝置600的的平面圖，其包括波導 光衰減器603、具有分束器涂層617的GRIN透鏡616、光電探測器618、兩根光纖608 和610'以及封裝有元件603, 608， 610, 616和618的標準小型可插拔(SFP)封裝620。 光纖連接器622和624可以方便的置于SFP封裝620的外面以連接外部光纖。將波導 603和GRIN透鏡616分別連接到光纖連接器624和622的光纖608和610被略微彎曲 以消除封裝620內(nèi)的拉伸應力。電學終端對614被用于將光電探測器618連接到電放大 器?，F(xiàn)在參考圖7,示出了圖6的裝置600的等軸側視圖，其包括波導衰減器703、輸 入光纖708和輸出光纖710、 GRIN透鏡716、光電探測器718,以及尺寸大約為 55mmxl2mmxl0mm的SFP封裝720。
權利要求
1、一種可變光衰減器，其包括輸入光端口和輸出光端口；平面波導衰減器，其用于根據(jù)施加到其上的控制信號來衰減光，其中，所述平面波導衰減器具有第一端面和第二端面，其中，所述平面波導衰減器的所述第一端面被光學耦合到所述輸入光端口，以及所述平面波導衰減器的所述第二端面被配置來產(chǎn)生發(fā)散光束；透鏡，其用于將所述發(fā)散光束準直成準直光束；分束器，其被光學耦合到所述透鏡，用于將所述準直光束分成反射光束和透射光束；光電探測器，其被配置來接收所述透射光束，用于根據(jù)所述透射光束的功率產(chǎn)生電信號；以及輸出波導，其用于將所述反射光束導向所述輸出端口；其中，在操作中，所述透鏡將所述反射光束聚焦到所述輸出光端口。
2、 如權利要求1所述的光衰減器，其中，所述輸出波導是光纖，以及其中，所述 透鏡的光軸平行于包含所述平面波導衰減器的所述第一端面和所述第二端面的平面，其 中，將所述軸偏離所述平面，以使所述準直光束入射到所述分束器上的角度在O.l度和 5度之間。
3、 如權利要求1所述的可變光衰減器，其中，所述輸出波導是在所述平面波導衰 減器中形成的平面波導。
4、 如權利要求1所述的可變光衰減器，其中，所迷透鏡是具有第一端面和第二端 面的GRIN透鏡，其中，所述GRIN透鏡的所述第一端面凈皮耦合到所述平面波導衰減器 的所述第二端面，以及其中，所述分束器是應用于所述GRIN透^:的所述第二端面的薄 膜涂層。
5、 如權利要求1所述的可變光衰減器，其中，所述平面波導衰減器具有由于自由 栽流子吸收現(xiàn)象而吸收光的結構。
6、 如權利要求1所述的可變光衰減器，其中，所述分束器的反射率在90°/。和99% 之間。
7、 如權利要求1所述的可變光衰減器，其中，所述分束器的反射率是95%±1%。
8、 如權利要求1所述的可變光衰減器，還包括支撐所述平面波導衰減器、所述透 鏡、所述光電探測器、所述輸入光端口和所述輸出光端口的小型可插拔SFP封裝。
9、 一種可變光衰減器，其包括第一光端口和第二光端口 ，其每一個被配置來接收光和輸出光；平面波導衰減器，其用于根據(jù)施加到其上的控制信號來衰減所述光，其中，所述 平面波導衰減器具有第一端面和第二端面，其中，所述波導衰減器的所述第一端面被光學耦合到所述第一光端口；連接波導，其具有第一端面和第二端面，其中，所述連接波導的所述第一端面被 光學耦合到所述第二光端口 ；透鏡，其用于在所述平面波導衰減器的所述第二端面和所述連接波導的所述第二 端面之間提供光學耦合；分接頭，其與所述透鏡光學耦合，用于測量通過其的光的光功率，其中，所述分 接頭包括分束器，其用于分出入射到其上的一小部分光，以及 光電探測器，其用于接收所述部分光并根據(jù)其光功率產(chǎn)生電信號。
10、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述連接波導是光纖，以及其中， 所述透鏡的光軸平行于包含所述平面波導衰減器的所述第 一端面和所述第二端面的平 面，其中，將所述軸偏離所述平面，以使得入射到所述分束器的準直光束的角度在0.1 度和5度之間。
11、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述連接波導是在所述平面波導衰 減器中形成的平面波導。
12、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述第一光端口是輸入光端口，而 所述第二光端口是輸出光端口 。
13、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述第一光端口是輸出光端口，而 所述第二光端口是輸入光端口 。
14、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述透鏡是具有第一端面和第二端 面的GRIN透鏡，其中，所述GRIN透鏡的所述第一端面被耦合到所述平面波導衰減器 的第二端面，以及其中，所述分束器是應用于所述GRIN透鏡的所述第二端面的薄膜涂 層。
15、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述平面波導衰減器具有由于自由 載流子吸收現(xiàn)象而吸收光的結構。
16、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述分束器的反射率在90%和99%之間。
17、 如權利要求9所述的可變光衰減器，其中，所述分束器的反射率是95%±1%。
18、 如權利要求9所述的可變光衰減器，還包括支撐所述平面波導衰減器、所述透 鏡、所述光電探測器、所述連接波導、所述第一光端口和所述述第二光端口的小型可插 拔SFP封裝。
19、 如權利要求18所述的可變光衰減器，其中，所述SFP封裝包括分別被光學耦合 到所述第一光端口和所述第二光端口的第一光纖連接器和第二光纖連接器，和被耦合到 所述探測器的第一電學終端和第二電學終端，所第一電學終端和所述第二電學終端用于 輸出所述電信號。
20、 如權利要求18所述的可變光衰減器，其中，所述SFP封裝的尺寸約為55士2mm x 12±2mm x 10士2mm。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種具有光分接功能的緊湊的可變光衰減器，其包括平面波導衰減器、透鏡和光電探測器。輸入波導和輸出波導位于靠近透鏡光軸的位置，這減小了像差和插入損耗。波導衰減器通過光吸收來工作，幾乎不存在散射光，這改進了由光電探測器所測量的分出的光功率的保真度。整個分接-衰減器組件被封裝入具有兩個光連接器的小型可插拔(SFP)封裝中。
文檔編號G02B6/26GK101419310SQ20081016768
公開日2009年4月29日 申請日期2008年10月21日 優(yōu)先權日2007年10月22日
發(fā)明者楊亞濤, 昌 肖, 陳小林, 清 黃 申請人:Jds尤尼弗思公司